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FR3098078A1 - Circuit imprimé et procédé pour la mesure de la température dans un connecteur électrique de puissance - Google Patents

Circuit imprimé et procédé pour la mesure de la température dans un connecteur électrique de puissance Download PDF

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FR3098078A1
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Abstract

Un circuit imprimé est logé dans un connecteur. Un capteur (19) de température est monté sur le circuit imprimé entre deux plots de connexion (20) situés sur l’une des faces du circuit imprimé. On place un contact (10) logé dans le connecteur en continuité thermique avec deux plages de conduction thermique disposées, pour l’une, sur la même face du circuit imprimé que les plots de connexion (20) et, pour l’autre sous le capteur (19) de température. On relie chacun des plots de connexion (20) à un circuit de mesure de la température. Figure à publier avec l’abrégé : Fig 2

Description

Circuit imprimé et procédé pour la mesure de la température dans un connecteur électrique de puissance
L’invention concerne le domaine des connecteurs pour véhicules automobiles. Notamment, mais pas exclusivement, l’invention concerne le domaine des connecteurs destinés à la recharge électrique de véhicules automobiles électriques ou hybrides rechargeables.
Etat de la technique
Dans les véhicules automobiles et notamment les véhicules électriques ou hybrides rechargeables, les batteries du véhicule sont rechargées à l’aide d’un câble Ainsi, comme représenté schématiquement sur la Fig. 1, les véhicules électriques ou hybrides rechargeables 100 peuvent comprendre une embase de connecteur 200 sur laquelle peut être branchée une prise de charge 300 alimentée par une station de charge électrique 400, via un câble électrique 500. Cette prise de charge 300 permet alors de charger une batterie ou plusieurs batteries montées dans le véhicule 100.
L’invention concerne notamment les connecteurs tels que les embases de connecteur 200, ou connecteurs de puissance mâles. Cependant, l’invention peut éventuellement être aussi utilisée pour des prises de charge 300, ou connecteurs de puissance femelles.
Un connecteur de puissance, mâle ou femelle, comporte un boîtier et des contacts électriques de puissance reliés électriquement à des fils électriques, ou des barres métalliques conductrices (« busbars » en anglais) constitutifs d’un circuit électrique de puissance. Dans ce document, on désigne par « contact », aussi bien un contact ou une borne électrique mâle (broche ou fiche), qu’un contact ou une borne électrique femelle (clip).
Dans certains circuits électriques de puissance, des courants continus de 125 ampères, 200 ampères, voire 500 ampères, peuvent être utilisés. Ceci crée un risque d’échauffement des contacts, par exemple, au niveau de zones de contact avec un autre contact et/ou au niveau des zones de sertissage du contact sur un câble. Il est donc souhaitable de pouvoir mesurer et contrôler la température des contacts de puissance de manière à réduire l’intensité du courant électrique qui les traverse, voire à l’annuler en coupant le circuit, si l’échauffement du contact devient trop important.
Une difficulté réside dans le fait de mesurer précisément et de manière fiable la température d’un contact tout en conservant celui-ci bien isolé de tout autre circuit électrique.
Il est proposé ci-dessous une solution au moins partielle à ce problème.
Ainsi, il est proposé un circuit imprimé pour connecteur de puissance. Ce circuit imprimé comporte un support diélectrique sous forme de plaque avec deux faces principales et une tranche entre les deux faces principales. Au moins une première et une deuxième couches métalliques sont solidaires du support diélectrique et s’étendent parallèlement aux faces principales de celui-ci. En outre, une plage de conduction thermique est réalisée dans chacune des première et deuxième couches métalliques. Les plages de conduction thermique respectives des première et deuxième couches métalliques sont connectées électriquement, l’une à l’autre, au niveau d’une zone de la tranche du support diélectrique. Cette zone forme une aire de contact thermique (généralement aussi électrique) avec la surface périphérique externe d’un contact de puissance logé dans le connecteur. De plus, le circuit imprimé comporte un capteur de température monté sur l’une de ses faces principales, cette face étant partiellement recouverte de la première couche métallique et ce capteur étant en vis-à-vis, à travers une épaisseur du circuit imprimé, de la plage de conduction thermique réalisée dans la deuxième couche métallique.
Ainsi, grâce à ces dispositions on dispose d’un capteur jusqu’auquel de la chaleur peut être acheminée selon au moins deux chemins de conduction thermique, l’un de ces chemins passant par la surface du circuit imprimé sur laquelle est monté le capteur, et l’autre de ces chemins arrivant jusqu’au-dessous du capteur. Cette disposition permet d’améliorer significativement la précision de la mesure de la température d’un contact en minimisant l’écart entre sa température et la température du circuit imprimé au niveau du capteur. D’autres dispositions mentionnées ci-dessous peuvent permettre d’augmenter encore cette précision.
Ce circuit imprimé comporte éventuellement l’une et/ou l’autre des caractéristiques suivantes considérées chacune indépendamment l’une de l’autre ou en combinaison d’une ou plusieurs autres :
- la plage de conduction thermique de la première couche métallique comporte une échancrure et le capteur est monté dans cette échancrure ;
- l’échancrure dans la plage de conduction thermique de la première couche métallique présente deux bords situés chacun respectivement de part et d’autre de l’échancrure et le capteur est monté entre deux plots de connexion situés chacun respectivement en vis-à-vis de l’un de ces bords ;
- le capteur est connecté à au moins un plot de connexion situé sur l’une des faces principales du circuit imprimé, ce plot étant lui-même connecté, à travers une épaisseur du support diélectrique, à une plage de connexion réalisée dans la deuxième couche métallique, cette plage de connexion étant électriquement isolée des plages de conduction thermique des première et deuxième couches métalliques et étant au moins partiellement recouverte de la plage de conduction thermique de la première couche métallique ;
-la deuxième couche métallique est disposée dans l’épaisseur du support diélectrique ;
- le circuit imprimé comprend en outre une troisième couche métallique disposée sur l’autre face principale du support diélectrique par rapport à la première couche métallique, une plage de conduction thermique étant réalisée dans cette troisième couche métallique et étant connectée électriquement aux plages de conduction thermique réalisées respectivement dans les première et deuxième couches métalliques ;
- le circuit imprimé comprend en outre une quatrième couche métallique disposée dans l’épaisseur du support diélectrique, une plage de conduction thermique étant réalisée dans cette quatrième couche métallique et étant connectée électriquement au moins aux plages de conduction thermique réalisées respectivement dans les première et deuxième couches métalliques ;
-il comprend deux portions de mesure, électriquement isolées l’une de l’autre, chacune comportant une zone sur la tranche du support diélectrique au niveau de laquelle sont connectées des plages de conduction thermiques réalisées dans les première et deuxième couches métalliques ; et
- il comporte, entre les deux portions de mesure, une portion flexible adaptée pour accommoder un déplacement de l’une des portions de mesure par rapport à l’autre, parallèlement au plan des faces principales du support diélectrique.
Selon un autre aspect, il est proposé un connecteur de puissance comprenant au moins un contact de puissance avec une surface périphérique externe et au moins un circuit imprimé tel que mentionné ci-dessus, la surface périphérique externe du contact étant en contact avec une zone sur la tranche du support diélectrique au niveau de laquelle sont connectées des plages de conduction thermiques réalisées dans les première et deuxième couches métalliques.
Selon encore un autre aspect, il est proposé un procédé de mesure de la température d’un contact logé dans un connecteur de puissance. Selon ce procédé,
- on place, dans le connecteur, un circuit imprimé sur lequel un capteur de température est monté entre deux plots de connexion situés sur une face du circuit imprimé,
- on relie chacun des plots de connexion à un circuit de mesure de la température, et
- on place le contact en continuité thermique avec deux plages de conduction thermique disposées, pour l’une, sur la même face du circuit imprimé que les plots de connexion et, pour l’autre sous le capteur de température.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
représente schématiquement un véhicule électrique ou hybride rechargeable alimenté à l’aide d’une prise de charge ;
représente schématiquement en coupe un exemple de mode de réalisation d’un circuit imprimé ;
représente schématiquement en perspective un exemple de mode de réalisation d’un circuit imprimé ;
représente schématiquement en perspective un autre exemple de mode de réalisation d’un circuit imprimé ;
représente schématiquement en perspective une partie du circuit imprimé représenté sur la figure 3 ;
représente schématiquement en perspective et en semi-transparence la partie du circuit imprimé représentée sur la figure 5 ; et
représente schématiquement en perspective et en semi-transparence la partie du circuit imprimé représentée sur les figures 5 et 6.
Description détaillée
Sur les figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.
Un premier exemple de mode de réalisation d’un circuit imprimé est décrit ci-dessous en relation avec la figure 2.
Selon cet exemple, le circuit imprimé 1 est un circuit multicouche avec un support 2 ou substrat diélectrique et quatre couches métalliques conductrices 3, 4, 5, 6 séparées par de la matière isolante du support diélectrique 2. Le support diélectrique 2 est par exemple composé, d’une manière connue, d’une résine époxy renforcée ou non de fibres de verre. Les couches métalliques conductrices 3, 4, 5, 6 sont par exemple constituées de feuillets de cuivre ou d’un alliage de cuivre. Les couches métalliques conductrices 3, 4, 5, 6 ont par exemple une épaisseur de 35 micromètres, avec des couches de 250 micromètres de matériau diélectrique intercalées entre elles. Le circuit imprimé 1 comporte deux couches métalliques conductrices externes 3, 6 et deux couches métalliques conductrices internes 4, 5. Les couches métalliques conductrices externes 3, 6 s’étendent parallèlement aux faces principales 7 du support diélectrique 2 sur lesquelles elles reposent. Les couches métalliques conductrices internes 4, 5 s’étendent parallèlement aux faces principales 7 de support diélectrique 2 dans lequel elles sont insérées.
Une encoche 8 est réalisée sur toute l’épaisseur du circuit imprimé 1, dans l’ensemble des couches métalliques conductrices 3, 4, 5, 6 et du matériau diélectrique. Cette encoche 8 est adaptée pour s’insérer dans une rainure 9 réalisée sur la surface périphérique externe 11 d’un contact 10. L’encoche 8 présente une forme de « U » avec un fond en demi-cercle et deux bords de guidage 12 parallèles entre eux, correspondant aux branches du U (voir aussi figures 6 à 7). Cette encoche 8 comporte une tranche 13. Cette tranche 13 est au moins partiellement recouverte d’une couche d’un matériau conducteur 14, par exemple de 20 micromètres de cuivre déposé par un procédé chimique et électrolytique. La couche de matériau conducteur déposée sur la tranche 13 se prolonge tout autour de la partie de l’encoche 8 destinée à être en contact avec le contact, par des plages de conduction thermique externes 15, 16 formées respectivement dans les couches métalliques conductrices externes 3, 5. Ainsi, les plages de conduction thermique externes 15,16 sont en continuité électrique et thermique avec la tranche 13. De même, des plages de conduction thermique internes 17, 18, formées respectivement dans les couches métalliques conductrices internes 4, 5 sont en continuité électrique et thermique avec la tranche 13. Ainsi, les plages de conduction thermique externes 15, 16 et internes 17, 18 sont en continuité électrique et thermique avec un contact 10 logé dans l’encoche 8. Les plages de conduction thermique internes 17, 18 s’étendent au moins partiellement sous un capteur de température 19 déposé sur l’une des faces principales 7 du support diélectrique 2. Les plages de conduction thermique externes 15, 16 s’étendent jusqu’à proximité des plots de connexion 20 auxquels est connecté le capteur 19. Par exemple, une distance de l’ordre de 2 millimètres sépare les plages de conduction thermique externes 15, 16 des plots de connexion 20.
Des plages de connexion 21 sont également réalisées dans les couches métalliques internes 4, 5. Ces plages de connexion 21 sont adaptées pour établir une connexion électrique entre les plots de connexion 20 auxquels est connecté le capteur 19 et un circuit électrique de mesure (non représenté). Les plots de connexion 20 réalisés dans les couches conductrices externes 3, 6 sont connectées électriquement aux plages de connexion 21 réalisées dans les couches conductrices internes 4,5, par l’intermédiaire de vias 22.
Le capteur 19 est donc connecté entre deux plots de connexion 20 situés sur l’une des faces principales 7 du circuit imprimé 1. Ces plots de connexion 20 sont connectés, à travers des épaisseurs du support diélectrique 2, aux plages de connexion 21 réalisées dans les couches métalliques conductrices internes 4, 5. Ces plages de connexion 21 sont électriquement isolées des plages de conduction thermique des couches métalliques conductrices externes 3, 6 et sont au moins partiellement recouvertes des plages de conduction thermique externes 15, 16.
Ainsi, la chaleur générée au niveau du contact 10 peut être transmise au capteur 19 selon au moins deux type de chemin de conduction privilégiés : un premier chemin de conduction thermique 23 au niveau des plages de conduction thermique externes 15, 16 et un deuxième chemin de conduction thermique 24 au niveau des plages de conduction thermique internes 17, 18.
Un circuit tel que celui décrit ci-dessus peut être utilisé pour mesurer la température d’un seul contact 10 (voir figure 3) ou de plusieurs contacts 10a, 10b (par exemple deux contacts 10a, 10b comme représenté sur la figure 4).
Lorsqu’un circuit imprimé 1 tel que celui décrit ci-dessus est utilisé pour mesurer la température de plusieurs contacts 10a, 10b, il est avantageux de monter sur celui-ci au moins un capteur 19 par contact. Autrement dit, dans ce cas le circuit imprimé 1 comprend au moins deux portions de mesure 25 électriquement isolées l’une de l’autre. Chacune de ces portions de mesure 25 comporte une zone sur la tranche 13 du support diélectrique 2 au niveau de laquelle sont connectées des plages de conduction thermiques 15, 16, 17, 18 réalisées dans les couches métalliques conductrices internes 4, 5 et externes 3, 6. Chaque zone est adaptée pour être mise en contact avec un contact 10.
En outre, ce circuit imprimé 1 peut alors comprendre entre deux portions de mesure 25, une portion flexible 26 adaptée pour accommoder un déplacement de l’une des portions de mesure 25 par rapport à l’autre, parallèlement au plan des faces principales 7 du support diélectrique 2. Cette portion flexible 26 est par exemple réalisée à l’aide d’un méandre, ou d’une forme en « S », ou d’une forme en « U » avec chacune des branches du « U » en commun avec un autre « U » inversé et relié à l’une des portions de mesure 25.
Les figures 5 à 7 représentent plus en détail un exemple de formes qui peuvent être données aux différentes plages de connexion 21 et de conduction thermique 15, 16, 17, 18.
Par exemple, les plages de conduction thermique externes 15, 16 s’inscrivent dans une forme carrée ou rectangulaire. L’un des côtés de cette forme est ouvert sur l’encoche 8. Par ailleurs l’un des angles de cette forme comporte une échancrure 27. Cette échancrure 27 comporte deux bords 28 essentiellement parallèles l’un à l’autre et situés chacun respectivement de part et d’autre de l’échancrure 27. Les deux plots de connexion 20 sont situés chacun respectivement en vis-à-vis de l’un de ces bords 28. Le fond 29 de l’échancrure 27 est formé d’une bande métallique conductrice en arc de cercle s’étendant par exemple sur 3 millimètres de large à partir de l’encoche 8. Le capteur 19 est placé en vis-à-vis de cette bande métallique conductrice à une distance de 2 millimètres par exemple.
Les deux plots de connexion 20 de forme allongée s’étendent, de l’extérieur vers l’intérieur de l’échancrure 27. Ces plots de connexion 20 ont chacun une extrémité connectée au capteur 19 et une autre extrémité connectée à des plages de connexion internes 21, ainsi qu’à l’autre couche métallique externe 6, par l’intermédiaire de deux vias 22. Les plages de connexion internes 21, sont en grande partie, situées sous /entre des zones des plages de conduction thermiques externes 15, 16, et s’étendent parallèlement à deux des bords de la forme en carré ou en rectangle des plages de conduction thermique externes 15, 16 jusqu’à des vias conducteurs 22 qui remontent vers les faces principales du support diélectrique 2 afin de les connecter électriquement à un circuit de mesure.
Les plages de conduction thermique internes 17, 18 s’étendent essentiellement sous forme d’une bande, sous l’échancrure 27, entre l’encoche 8 et trois vias conducteurs 22 situés de l’autre côté du contact 10 par rapport à l’encoche 8. Ainsi, cette bande passe sous le capteur 19. Les trois vias 22 connectent ensemble les deux plages de conduction thermique internes 17, 18.

Claims (11)

  1. Circuit imprimé pour connecteur de puissance, ce circuit imprimé (1) comportant un support diélectrique (2) sous forme de plaque avec deux faces principales (7) et une tranche (13) entre les deux faces principales (7), une première (3) et une deuxième (4) couches métalliques étant solidaires du support diélectrique (2) et s’étendant parallèlement aux faces principales (7) de celui-ci,
    caractérisé par le fait qu’une plage de conduction thermique (15 ou 16, 17 ou 18) est réalisée dans chacune des première (4) et deuxième (5) couches métalliques, les plages de conduction thermique (15 ou 16, 17 ou 18) respectives des première (4) et deuxième (5) couches métalliques étant connectées électriquement l’une à l’autre, au niveau d’une zone de la tranche (13) du support diélectrique (2),
    et par le fait qu’il comporte un capteur de température (19) monté sur l’une de ses faces principales (7), cette face principale (7) étant partiellement recouverte de la première couche métallique (3), ce capteur (19) étant en vis-à-vis, à travers une épaisseur du circuit imprimé (1), de la plage de conduction thermique (17) réalisée dans la deuxième couche métallique (4).
  2. Circuit imprimé selon la revendication 1, dans lequel la plage de conduction thermique (15) de la première couche métallique (3) comporte une échancrure (27) et le capteur (19) est monté dans cette échancrure (27).
  3. Circuit imprimé selon la revendication 2, dans lequel l’échancrure (27) présente deux bords (28) situés chacun respectivement de part et d’autre de l’échancrure (27) et le capteur (19) est monté entre deux plots de connexion (20) situés chacun respectivement en vis-à-vis de l’un de ces bords (28).
  4. Circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le capteur (19) est connecté à au moins un plot de connexion (20) situé sur l’une des faces principales (7) du circuit imprimé (1), ce plot de connexion (20) étant lui-même connecté, à travers une épaisseur du support diélectrique (2), à une plage de connexion (21) réalisée dans la deuxième couche métallique (4), cette plage de connexion (21) étant électriquement isolée des plages de conduction thermique (15, 17) des première (3) et deuxième (4) couches métalliques et étant au moins partiellement recouverte de la plage de conduction thermique (15) de la première couche métallique (3).
  5. Circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième couche métallique (4) est disposée dans l’épaisseur du support diélectrique (2).
  6. Circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le circuit imprimé comprend en outre une troisième couche métallique (5) disposée sur l’autre face principale du support diélectrique (2) par rapport à la première couche métallique (3), une plage de conduction thermique (16) étant réalisée dans cette troisième couche métallique (3) et étant connectée électriquement aux plages de conduction thermique (15, 17) réalisées respectivement dans les première (3) et deuxième (4) couches métalliques.
  7. Circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le circuit imprimé comprend en outre une quatrième couche métallique (6) disposée dans l’épaisseur du support diélectrique (2), une plage de conduction thermique (18) étant réalisée dans cette quatrième couche métallique (6) et étant connectée électriquement au moins aux plages de conduction thermique (15, 17), réalisées respectivement dans les première (3) et deuxième (4) couches métalliques.
  8. Circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, comprenant au moins deux portions de mesure (25) électriquement isolées l’une de l’autre, chacune comportant une zone sur la tranche (13) du support diélectrique (2) au niveau de laquelle sont connectées des plages de conduction thermiques (15, 17) réalisées dans les première (3) et deuxième (4) couches métalliques.
  9. Circuit imprimé selon la revendication 8, comportant, entre les deux portions de mesure (25), une portion flexible (26) adaptée pour accommoder un déplacement de l’une des portions de mesure (25) par rapport à l’autre, parallèlement au plan des faces principales (7) du support diélectrique (2).
  10. Connecteur de puissance comprenant au moins un contact (10) de puissance avec une surface périphérique externe (11) et au moins un circuit imprimé (1) selon l’une des revendications précédentes, la surface périphérique externe (11) du contact (10) étant en contact avec une zone sur la tranche (13) du support diélectrique (2) au niveau de laquelle sont connectées des plages de conduction thermiques (15, 17) réalisées dans les première (3) et deuxième (4) couches métalliques.
  11. Procédé de mesure de la température d’un contact (10) logé dans un connecteur de puissance, dans lequel
    on place, dans le connecteur, un circuit imprimé (1) sur lequel un capteur (19) de température est monté entre deux plots de connexion (20) situés sur une face (7) du circuit imprimé (1),
    on relie chacun des plots de connexion (20) à un circuit de mesure de la température
    caractérisé par le fait que l’on place le contact (10) en continuité thermique avec deux plages de conduction thermique (15, 17) disposées, pour l’une, sur la même face du circuit imprimé (1) que les plots de connexion (20) et, pour l’autre sous le capteur (19) de température.
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